Zvýšení hodnoty konstrukčních dílů tvářených z plechu

Příležitost k získání takových informací poskytlo Česko-německé kolokvium o zpracování plechů, uspořádané Českou společností pro výzkum zpracování plechů (ČSVZP) ve spolupráci s Evropskou společností pro výzkum zpracování plechů (EFB) v Hannoveru a s Ústavem strojírenské technologie Fakulty strojní ČVUT. Na tomto kolokviu přednášeli odborníci z oblasti automobilového průmyslu, vývoje, subdodavatelů a univerzit ze SRN, Rakouska, Švýcarska, USA, Slovenska a České republiky. Sborník na CD-ROM obsahuje tři české a jedenáct zahraničních prezentací, které byly v České republice publikovány poprvé, po své premiéře na kolokviu EFB konaném v roce 2005 ve Fellbachu u Stuttgartu. Některé z těchto prezentací jsou zde zkráceně uvedeny a komentovány.

Stejnojmenná přednáška K. Stahla, zástupce výrobce lisovací techniky Gräbener Pressensysteme, byla zaměřena na specifika plošného tváření NO standardních a hlubokotažných jakostí pro automobilové i neautomobilové aplikace a na jejich vliv na technologická zařízení lisů, automatizace a nástrojů. Vedle NO zmiňuje využívání Mn-B konstrukčních ocelí s pevností R_m 600 MPa v žíhaném stavu, které lze po ohřevu na 880 - 950 °C a po následném lisování ochlazením v nástroji vytvrdit až na R_m 1650 MPa. Další možnosti nabízí lehké LIP (Leichtstähle mit Induzierter Plastizität) konstrukční oceli s vysokou tažností až A₈₀ okolo 60 % a pevností R_m až 1000 MPa (viz obr. 1).Hlavního efektu zvýšení hodnoty a životnosti dílu z NO a snížení hmotnosti vozu (a tím i spotřeby a emisí), a to při vyšší deformační schopnosti a se zlepšeným chováním při nárazu, se dosahuje inovativním užitím NO, nižší tloušťkou stěny a zpevněním v místech kritických napětí. Vyšší ceny NO se kompenzují nižší tloušťkou stěn, využitím vyšších pevností a užitím nižší hmotnosti. Zvláštnosti tváření NO ve srovnání s běžnými konstrukčními ocelemi se odrážejí ve volbě lisů. Austenitické NO s tažností až 45 % mají vysokou deformační schopnost se silnou tendencí ke zpevňování za studena a vyžadují až třikráte vyšší tažné a přidržovací síly než ocel St 14. Jsou uvedeny příklady pro volbu nástrojů na stříhání, hluboké tažení a tváření vnitřním přetlakem. Přednáška popisuje vliv zvláštností NO na automatizační komponenty tvářecích zařízení - pásových linek, odvíjení a rovnání, mazání lisů, podávání a ukládání.Jako příklady vhodných zařízení uvádí hydraulickou lisovací linku pro kuchyňské dřezy Schuler Hydrap Fle-X-Bowl, skládající se ze dvou lisů pro hluboké tažení, stříhacího lisu a robotické manipulace pro zpracování plechů z ocelí typu Cr18Ni10 tloušťky 0,8 - 1,2 mm s taktem 4 - 5 dílů/min (viz obr. 2). Jako příklad transferových lisů se uvádí lisy na lisování tlumičů výfukových zařízení z dvojitého svitku a pro zařízení na tváření vnitřním přetlakem linka na tváření plechových sběračů výfukových plynů, vylehčených proti odlitkům o 60 %.

Přednáška S. Hirtha, S. Courta, H. Holmbergera a J. Timma z vývojové firmy Novelis Technology, spin-off firmy Alcan se sídlem v Atlantě, byla věnována úspěšnému vývoji tváření hliníkových slitin za tepla po překonání nevýhod dlouhých cyklů, vysokých nákladů a selhávání maziv. Jeho výhodou mají být nízké náklady na výrobu forem a snadný rapid prototyping hliníkových dílů tvářených za tepla. U slitin typu AA5754 (AlMg 3) výsledky silně závisí na tvářecí teplotě a rychlosti deformace, které ovlivňují hraniční hodnotu LDR (limit draw ratio) a tažnosti. Jako optimální se pro slitiny řady 5XXX jeví teplota 250 °C. Zkoušena byla i recyklační slitina Ecodal 608 typu Al-Mg-Si (AA6181A), použitelná jen omezeně na vnitřní díly s komplexní geometrií.

Do sérií 10 000 ks/rok je pro slitiny Formall 545 SPF typu AlMg4.5Mn (AA5083 SPF) a pro speciální slitinu Anticorrodal 118 typu Al-Mg-Si vhodnou technologií superplastické tváření (SPF) bez maziv, umožňující vyrábět komplexní geometrie v jednom kroku, příp. díly, které nelze vyrobit tvářením za studena nebo které je nutné svařovat či pájet s riziky a náklady, které spojování představuje.Superplastické tváření umožňuje značnou volnost designéra a hojně se využívá u malosériových dílů sportovních vozů. Referencemi jsou první aplikace u vozu Panoz Esperante z roku 1999, velkoplošné díly dveří vozu Aston Martin Vanquish, vozu VW Maybach, zadní blatníky vozů Morgan a zadní kapota vozu Cadillac STS 2005.

Příspěvek T. Franze (Volkswagen, vývojové oddělení) "Výrobně-technické aspekty vysokopevnostních ocelí" je věnován uplatnění HSS oceli 22MnB5 kalené po tváření, jejímu svařování a zkoušení. U této oceli se dosahuje pevnosti v tahu R_m vyšší než 1500 MPa při nízké tažnosti A₈₀ i pod 10 %. Vlastnosti oceli při nasazení však vyžadují určité modifikace výrobní technologie, zejména svařování a zkoušení. I při laserovém a bodovém svařování dochází k silné deformaci spojů, až o 2 řády vyšší, než jsou tolerance dílů karoserie ±0,5 mm. Na druhé straně však dochází u stejnorodých či nestejnorodých svarů (zde více) k silnému poklesu střihové pevnosti ve srovnání s chováním základního materiálu, jak ukazuje obr. 5.Zavádění vysokopevnostních ocelí (HSS) přináší problémy i u tváření (mj. vyšší řezné síly při ostřihování, větší odpružení a větší přidržovací síly), volající po nových řešeních v oblasti vývoje, plánování, výroby a řízení jakosti. Dosavadní tepelné způsoby spojování neumožňují uplatnění dosažitelných vysokých pevností. Dosud nově zaváděné HSS měnily své vlastnosti pouze marginálně; nyní máme co dělat s HSS, u nichž dochází ke změně vlastností v podstatě skokem.Tak se mění i způsoby zkoušení bodově svařených svarových spojů. Vzhledem k nižší tažnosti již nepřipouští odsekávání bodových spojů; nemá u spojů HSS žádnou výpovědní hodnotu. Hledají se postupy NDT zkoušení, značení jakosti, vytváří se nová metodika a normy, školí se zkušební personál.

Využitím kalení při lisování ve výrobě dveřních výztuh z HSS typu 22MnB3 se podrobněji zabývá příspěvek R. Kollecka, S. Pfannera a H. Kasseggera (Technická univerzita ve Štýrském Hradci) "Technologická aktualita - tváření za studena/za tepla a bezpečnost vozidla". Na schematických grafech při použití IRA diagramu je vysvětlena podstata a ukázáno blokové schema procesu lisování a ostřižení výztuh ze svitku a jejich tepelného zpracování ochlazením v zápustce dostatečnou rychlostí ke vzniku martenzitu. Procesem lze zpracovat žárově hliníkované plechy s výhodou ochrany proti okujení, neboť se pracuje bez ochranné atmosféry.Při přímém procesu se zpracovávaný svitek ohřívá v průběžné peci nebo indukčně na teplotu tváření za tepla, vylisuje se, ostřihne a tepelně zpracuje; při nepřímém procesu se vkládá tváření za studena a tepelnému zpracování se podrobí téměř hotový výlisek (near to shape). O volbě procesu rozhodují náklady nebo hmotnost dílu; jsou-li cílem nižší náklady, pracuje se s výlisky tvářenými za studena. Všechny koncepce se posuzují studií proveditelnosti.

Snad nejzajímavější námět poskytla přednáška "Virtuální zajištění kvality povrchu karosářských dílů při vývoji nástrojů" od J. Meinhardta, Ch. Hartunga a M. Hahna z vývojového oddělení společnosti BMW. Poskytla informace o tom, jak virtuální metody v konstrukci nástroje realizují design tvaru a optické účinky povrchových úprav karoserie s přihlédnutím k možnostem technologie a výroby za únosné náklady.Do nedávné doby bylo možné zjistit defekty povrchových úprav vzniklé tvářením až v průběhu ověřování výroby. Simulace tvářecích procesů a techniky měření reflexních linií na zakřiveném povrchu ze simulace geometrií umožňují předem stanovit očekávané vysoké optické vlastnosti dané povrchové úpravy atraktivního designu vozu jako emočního faktoru prodeje.

To umožňuje značné úspory v konstrukci tvářecího nástroje, dovoluje lehké CAD konstruování, splnění korozní životnosti, nasazení HSS a hliníku při splnění nároků crash testů.Na řešení tvářecích nástrojů pro dosažení požadovaných optických vlastností dílů karoserie pro vozy BMW se ukazuje možnost docílení "měkkých" linií a konvexně-konkávních přechodů, geometrie ploch a hran hodnocením vlivu horního a spodního nástroje (s tolerancí několika µm), přidržování a zpětného odpružení. Při řešení blatníků se tak dociluje dříve nevídané "ostrosti" hran.U lakovaných povrchů vychází podmínky simulace optických vlivů povrchových úprav z toho, že lidské oko ze vzdálenosti 200 mm má rozlišení asi 20 µm a lidský mozek je schopen sestavit 3D obraz s rozpoznáním nerovností 1 - 2 µm. Ze vzdálenosti 3 m je rozlišení jen 0,69 mm a mozek vnímá struktury vlnové délky do 1,38 mm jako lesk, do 15 mm jako "pomerančovou kůži" a nad 15 mm jako zakřivení nebo změnu tvaru. Při přiblížení se hranice rozlišovací schopnosti mění.

Předmětem příspěvku "Souhrnné hodnocení vlivu okrajových podmínek na výsledky simulací při tažení pomocí softwaru AutoFORM", který přednesli J. Šanovec a F. Tatíček z Ústavu strojírenské technologie FS ČVUT, bylo zjišťování vlivu okrajových podmínek na výsledky simulací hlubokého tažení pomocí speciálního softwaru pro hluboké tažení AutoForm. Jednalo se o okrajové materiálové a technologické podmínky. Simulace byly prováděny pro víko motoru automobilů Škoda, a to pro první tah. Výsledky byly verifikovány pomocí měření skutečných povrchových deformací. Cílem bylo souhrnné porovnání těchto vlivů - změn okrajových podmínek nasimulovaných deformací při tažení vybraných dílů karoserií (materiálová data zpevnění a technologické okrajové podmínky, jako tlak přidržovače, rychlost tváření, tvar a velikost přístřihu a dále tvar a umístění brzdicích drážek). Ze simulací vyplývá dostatečná citlivost na změny okrajových podmínek. Jednoznačně největší vliv má změna součinitele tření.

Výše uvedené informace jsou se souhlasem ČSVZP čerpány ze sborníku "Zvýšení hodnoty multifunkčních konstrukčních dílů a výrobních postupů při zpracování plechu", vydaného ČSVZP, Praha (//www.csvzp.cz), na CD-ROM při příležitosti konání Česko-německého kolokvia o tváření plechu, které se konalo v Konferenčním centru Fakulty strojní ČVUT.

Ing. Alexandr Abušinov

www.mmspektrum.com

abusinov@seznam.cz